DE19930394A1

DE19930394A1 - Switched capacitor arrangement to provide a step-down and step-up voltage conversion

Info

Publication number: DE19930394A1
Application number: DE19930394A
Authority: DE
Inventors: Jeff Kotowski; William J Mcintyre
Original assignee: National Semiconductor Corp
Current assignee: National Semiconductor Corp
Priority date: 1998-07-02
Filing date: 1999-07-01
Publication date: 2000-01-05
Anticipated expiration: 2019-07-02
Also published as: US6198645B1; DE19930394B4; TW461168B; JP2000060111A

Abstract

A switched capacitor has N capacitors and switches connected so selected capacitors are configured to provide a step-down as well as a step-up voltage conversion. The capacitors and switches form N identical amplification blocks (15) each having one capacitor, connected so that amplification factors result in the ranges N/(N+1), 1.0 and (N+1)/N. The capacitor arrangement consists of N amplification blocks which have the following components: a first switch which connects a first plate of a capacitor to an input; a second switch which connects the first plate to an output; a third switch which connects the second plate of the capacitor to the input; a fourth switch which connects the second plate to the output; and a fifth switch which connects the second plate to the next amplification block.

Description

Die Erfindung betrifft geschaltete Kondensatoranordnungen zur Verwendung in Gleich stromwandlern und spezieller derartige Anordnungen die so konfiguriert werden können, daß sie eine Abwärts- und eine Aufwärtswandlung vorsehen.The invention relates to switched capacitor arrangements for use in equals current transformers and more particularly such arrangements that can be configured so that they provide for a downward and an upward conversion.

Wenn bei den elektronischen Schaltkreisen mehrere Geräte von einer einzigen Energieversor gung versorgt werden müssen, muß die Energieversorgung, die mit einer einzigen Span nungsquelle arbeitet, mehrere Versorgungspannungen an die verschiedenen Geräte liefern können. In anderen Anwendungen, bei denen ein elektronisches Gerät eine konstante Span nung benötigt, muß die Energieversorgung eine geregelte Versorgungsspannung aus einer variablen Spannungsquelle, z. B. einer Batterie, liefern. In beiden Fällen wird üblicherweise ein Gleichstromwandler verwendet, der mit einer geschalteten Kondensatoranordnung arbei tet, um die gewünschten Versorgungsspannungen vorzusehen. Eine geschaltete Kondensato ranordnung ist üblicherweise ein Schaltkreis aus Schaltern und Kondensatoren, die so konfi guriert werden können, daß sie mehrere Verstärkungsfaktoren vorsehen. Eine Steuereinheit zum Ein- und Ausschalten der Schalter ermöglicht es, die Kondensatoren zu konfigurieren und umzukofigurieren, so daß ausgewählte Kondensatoren geladen und entladen werden, um eine Eingangsspannung in eine gewünschte Ausgangsspannnung, mit dem gewünschten Ver stärkungsfaktor, umzuwandeln.If the electronic circuits have multiple devices from a single energy supplier Power must be supplied, the power supply, with a single span power source works, supply several supply voltages to the various devices can. In other applications where an electronic device has a constant span required, the power supply must have a regulated supply voltage from a variable voltage source, e.g. B. a battery. In both cases it is common uses a DC converter that works with a switched capacitor arrangement tet to provide the desired supply voltages. A switched condenser The arrangement is usually a circuit of switches and capacitors that are so confi can be gurated that they provide several gain factors. A control unit to turn the switches on and off allows the capacitors to be configured and reconfigure so that selected capacitors are charged and discharged to an input voltage in a desired output voltage, with the desired ver strength factor to convert.

Eine übliche Art einer geschalteten Kondensatoranordnung ist ein Spannungteiler. Die Span nungsteilerschaltung arbeitet als ein Gleichstromwandler, um eine Ausgangsspannung zu er zeugen, die niedriger oder gleich der Wert der Eingangs- oder Hauptspannungsquelle ist. Üb liche Spannungsteileranordnungen verwenden N Kondensatoren zum Erzeugen unterschiedli cher abwärtsgewandelter oder Abwärts-Verstärkungen (Verstärkungsfaktoren ≦ 1), indem die Kondensatoren über eine Spannungsquelle in Reihe geschaltet werden, um die Kondensatoren zu laden, und indem die Kondensatoren dann parallel geschaltet werden, um die Kondensato ren in einen Lastkondensator zu entladen. Durch abwechselndes Laden und Entladen der Kondensatoren sind Verstärkungsfaktoren in den Verstärkungsbereich 1/N möglich, d. h. 1/2, 1/3, . . ., 1/N. Selbst wenn solche Schaltkreise einen hohen Wirkungsgrad haben, sind sie inso fern beschränkt, als die Ausgangsspannungen auf ganzzahlige Bruchteile der Eingangsspan nung begrenzt sind.A common type of switched capacitor arrangement is a voltage divider. The Span The voltage divider circuit works as a DC / DC converter to generate an output voltage testify that is lower than or equal to the value of the input or main voltage source. Practice Liche voltage divider arrangements use N capacitors to generate different down converted or down gains (gain factors ≦ 1) by the Capacitors are connected in series across a voltage source to the capacitors to load, and then by connecting the capacitors in parallel to the capacitor to be discharged into a load capacitor. By alternately loading and unloading the Capacitors are gain factors in the gain range 1 / N possible. H. 1/2, 1/3,. . ., 1 / N. Even if such circuits have high efficiency, they are so far limited than the output voltages to integer fractions of the input span are limited.

Um den Bereich der Verstärungsfaktoren zu vergrößern, offenbart das U.S.-Patent Nr. 4,451,743, mit dem Titel "DC to DC Voltage Converter" von Suzuki et al. eine Span nungsteilerschaltung, die N Kondensatoren und einen Hauptkondensator verwendet. Auf die ses Dokument wird in seiner Gesamtheit Bezug genommen. Bei Suzuki werden die N Kon densatoren während eines Ladezyklus, in dem alle Kondensatoren geladen Werden, parallel zueinander und Reihe zu dem Hauptkondensator geschaltet. Die N Kondensatoren werden dann während eines Entladezyklus, in dem die Kondensatoren entladen werden, in Reihe zu einander und parallel zu den Hauptkondensator geschaltet. Als ein Resultat wird ein Span nungsteiler erhalten, der Verstärkungsfaktoren in dem Verstärkungsbereich von N/(N+1) er möglich, d. h. 1/2, 2/3, 3/4, . . ., N/(N+1).To expand the range of gain factors, the U.S. patent discloses No. 4,451,743, entitled "DC to DC Voltage Converter" by Suzuki et al. a span voltage divider circuit using N capacitors and a main capacitor. On the This document is referred to in its entirety. At Suzuki the N Kon capacitors in parallel during a charge cycle in which all capacitors are charged connected to each other and series to the main capacitor. The N capacitors will then in series during a discharge cycle in which the capacitors are discharged connected to each other and in parallel to the main capacitor. As a result, a chip becomes obtained divider, the gain factors in the gain range of N / (N + 1) er possible, d. H. 1/2, 2/3, 3/4,. . ., N / (N + 1).

Eine andere Art einer geschalteten Kondensatoranordnung ist ein Spannungsmultiplizierer, der einen Ausgangsversorgungsspannung liefert, die größer als die Eingangsquellspannung ist. Aufwärtsgewandelte oder Aufwärts-Verstärkungsfaktoren (Verstärkung < 1) werden übli cherweise erreicht, indem N Kondensatoren während des Ladezyklus parallel zu einer Batte rie und während des Entladezyklus in Reihe über einen Lastkondensator konfiguriert werden. Ähnlich wie bei den oben erörterten Spannungsteiler sind solche Spannungsmultiplilzierer, die im Stand der Technik bekannt sind, auf Verstärkungsfaktoren im Verstärkungsbereich von N beschränkt, d. h. ganzzahlige Verstärktingen von 2, 3, . . ., N.Another type of switched capacitor arrangement is a voltage multiplier, which provides an output supply voltage that is greater than the input source voltage is. Up-converted or up-gain factors (gain <1) are common Achieved by having N capacitors in parallel with a battery during the charge cycle rie and can be configured in series via a load capacitor during the discharge cycle. Similar to the voltage dividers discussed above, such voltage multipliers are which are known in the prior art to gain factors in the gain range of N limited, i. H. integer amplifications of 2, 3,. . ., N.

Suzuki et al. offenbaren auch einen Spannungsmultiplizierer, der nicht ganzzahlige Verstär kungsfaktoren vorsehen kann. Hierauf wird Bezug genommen. Der Spannungsmultiplizierer von Suzuki verwendet N Hilfskondensatoren und einen Hauptkondensator. Die N Hilfskon densatoren werden während des Ladezyklus in Reihe zueinander und parallel zu dem Haupt kondensator und zu einer Batterie konfiguriert, um die N Hilfskondensatoren und den einen Hauptkondensator zu laden. Während des Entladezyklus werden die N Hilfskondensatoren parallel zueinander und in Reihe zu den Hauptkondensator konfiguriert, um sie in einen Last kondensator zu entladen. Ein Resultat wird ein Spannnungsmultiplizierer erhalten, der Ver stärkungsfaktoren in dem Verstärkungsbereich von (N+1)/N realisiert, d. h., 2, 3/2, 4/3, . . . (N+1)/N.Suzuki et al. also disclose a voltage multiplier, the non-integer amplifier factors can provide. This is referred to. The voltage multiplier Suzuki uses N auxiliary capacitors and a main capacitor. The N auxiliary con capacitors become in series with each other and parallel to the main during the charging cycle capacitor and configured to a battery to the N auxiliary capacitors and one Main capacitor to charge. During the discharge cycle, the N auxiliary capacitors configured in parallel to each other and in series to the main capacitor to put them in a load discharge capacitor. A result is obtained a voltage multiplier, the Ver Realization factors realized in the gain range of (N + 1) / N, d. i.e., 2, 3/2, 4/3,. . . (N + 1) / N.

Obwohl sie nicht ganzzahlige Spannungsdivisionen oder -multiplikationen durchführen kön nen, können die oben beschriebenen geschalteten Kondensatoranordnungen keine Abwärts- und Aufwärtswandlungen vorsehen, was wünschenswert wäre, um die Flexibilität und Lei stungsfähigkeit der Energieversorgung zu erhöhen. Es können z. B. verschiede Ausgangs spannungen oder ein breiterer Bereich von Betriebseingangsspannungen wünschenswert sein. Although they cannot do integer voltage divisions or multiplications the switched capacitor arrangements described above cannot and provide up-turns, which would be desirable to provide flexibility and lei to increase the sustainability of the energy supply. It can e.g. B. various output voltages or a wider range of operating input voltages may be desirable.

In solchen Fällen kann ein Nur-Abwärts-Wandler die notwendige Energie nicht liefern, wenn die Eingangsspannung niedriger als die gewünschte Ausgangsspannung ist, und die Wirk samkeit eines Nur-Aufwärts-Wandlers wird reduziert, wenn die Eingangsspannung größer als die gewünscht Ausgangsspannung ist.In such cases, a step-down converter cannot supply the necessary energy if the input voltage is lower than the desired output voltage, and the active The speed of a step-up converter is reduced if the input voltage is greater than is the desired output voltage.

Bei dem Patent von Suzuki, auf das Bezug genommen wird, wird eine eigene nicht ganzzahlige Spannungsteilerschaltung und eine eigene nicht-ganzzahlige Spannungsmultipli ziererschaltung in einem Gleichstromwandler verwendet, um sowohl Aufwärts- als auch Ab wärtswandlungen vorsehen zu können, wobei jede Schaltung unabhängig von der anderen arbeitet. Das Erfordernis getrennter Aufwärts- und Abwärtsanordnungen erhöht jedoch zwangsläufig die Größe des Gleichstromwandlers. Eine andere Art eines Abwärts- und Auf wärts-Wandlers ist in dem US-Patent Nr. 5,414,614 mit dem Titel "Dynamically Configurable Switsched Capacitor Power Supply and Method" von Fette et al. beschreiben, auf das in sei ner Gesamtheit Bezug genommen wird. Im Gegensatz zu Suzuki können die geschalteten Kondensatoranordnungen bei Fette entweder ganzzahlige Divisonen oder ganzzahlige Multi plikationen vorsehen, wobei alle Anordnungen gemeinsam für die nicht-ganzzahlige Abwärts- oder Aufwärts-Wandlung arbeiten. Ähnlich wie Suzuki erfordert Fette jedoch getrennte ge schaltete Kondenstoranordnungen, um einen solchen Wandler zu realisieren.The Suzuki patent referred to does not have its own integer voltage divider circuit and its own non-integer voltage multiplication Ornamental circuit in a DC converter used to both up and down to be able to provide downward changes, each circuit independent of the other is working. However, the need for separate up and down arrangements increases inevitably the size of the DC converter. Another type of down and up upward converter is described in US Patent No. 5,414,614 entitled "Dynamically Configurable Switsched Capacitor Power Supply and Method "by Fette et al Reference is made in its entirety. In contrast to Suzuki, the switched Fette capacitor arrangements are either integer divisions or integer multi provide for complications, with all arrangements common for the non-integer downward or work up conversion. Similar to Suzuki, however, fats require separate ge switched capacitor arrangements to implement such a converter.

Es wird daher eine geschaltete Kondensatoranordnung benötigt, die für die Abwärts- und die Aufwärts-Wandlung konfiguriert werden kann, um einen kleineren und weniger komplexen Spannungswandler zu erhalten.A switched capacitor arrangement is therefore required which is suitable for the step-down and the step-down Up-conversion can be configured to be a smaller and less complex Get voltage transformers.

Die vorliegende Erfindung sieht eine Struktur und ein Verfahren zum Wandeln von Gleich spannungen vor, das mit einer einzigen geschalteten Kondensatoranordnung sowohl Abwärts- als auch Aufwärts-Wandlungen ermöglicht. Schalter und Kondensatoren sind so miteinander verbunden, daß verschiedene Kombinationen der Kondensatoren konfiguriert werden können, um in einer einzigen geschalteten Kondensatoranordnung Abwärts- und Aufwärtswandlungen zu ermöglichen. Die geschaltete Kondensatoranordnung besteht aus mehreren Verstärkungs blöcken, wobei jeder Verstärkungsblock einen Kondensator und mehrere Schalter aufweist. Bei einigen Ausführungsformen sind alle Verstärkungsblöcke gleich, so daß eine beliebige Anzahl Blöcke "gestapelt" oder miteinander verbunden werden kann, um eine modulare ge schaltete Kondensatoranordnung für einen größeren Bereich von Verstärkungsfaktoren zu bilden. Bei anderen Ausführungsformen sind nur die mittleren Verstärkungsblöcke gleich, wodurch die Modularität geringer wird. Bei diesen Ausführungsformen ist jedoch auch die Anzahl der Schalter geringer, wodurch sich die Größe und die Kosten der Anordnung reduzie ren.The present invention provides a structure and method for converting alike voltages, which with a single switched capacitor arrangement both downward as well as up conversions. Switches and capacitors are so together connected that different combinations of capacitors can be configured to down-convert and up-convert in a single switched capacitor array to enable. The switched capacitor arrangement consists of several amplifications blocks, with each gain block having a capacitor and multiple switches. In some embodiments, all gain blocks are the same, so any Number of blocks "stacked" or linked together to form a modular ge switched on capacitor arrangement for a larger range of amplification factors form. In other embodiments, only the middle reinforcement blocks are the same, which reduces the modularity. In these embodiments, however, the The number of switches is reduced, which reduces the size and the cost of the arrangement ren.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sehen eine einzige geschaltete Kondensatoranord nung für die Abwärts- und die Aufwärtswandlung vor, die auch für einen gemeinsam genutz ten oder gemeinschaftlichen Ruhezustand konfiguriert werden kann. Ein gemeinschaftlicher- Ruhezustand ermöglicht es, die Verstärkungseinstellung direkt zwischen zwei Verstarkungs bereichen umzuschalten, weil beide Verstärkungsbereiche einen gemeinsamen Zustand teilen, unabhängig davon, in welchem Bereich die Verstärkung liegt. Als eine Folge wird die richtige Ladung immer mit der gewünschten Verstärkung übertragen. Ohne den gemeinschaftlichen Ruhezustand müßte die geschaltete Kondensatoranordnung zunächst auf eine Verstärkung schalten, die für beide Verstärkungsbereiche gilt, um dann auf die gewünschte Verstärkung in dem neuen Bereich zu schalten. Mit einem gemeinschaftlichen Ruhezustand kann daher die Effektivität der Wandlung der Anordnung verbessert werden.Some embodiments of the invention see a single switched capacitor array down conversion and up conversion, which are also shared or shared hibernation can be configured. A collaborative Hibernation allows you to set the gain directly between two reinforcements switch areas because both gain areas share a common state, regardless of the range in which the gain is. As a result, the right one Always transfer the charge with the desired gain. Without the common In the idle state, the switched capacitor arrangement would first have to be amplified switch that applies to both gain ranges, then to the desired gain in to switch to the new area. With a communal state of rest, therefore Effectiveness of converting the arrangement can be improved.

Die Erfindung ist im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. In den Figuren zeigt:The invention is based on preferred embodiments with reference to the Drawing explained in more detail. The figures show:

Fig. 1 ein Diagramm einer geschalteten Anordnung aus N Kondensatoren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; Figure 1 is a diagram of a switched arrangement of N capacitors according to an embodiment of the invention.

Fig. 2 ein Diagramm der Anordnung der Fig. 1 für N = 3; Fig. 2 is a diagram of the arrangement of Fig. 1 for N = 3;

Fig. 2A und 2B Konfigurationen der Anordnung der Fig. 2 zum Erhalten eines Verstärkungsfaktors von 3/2; Figs. 2A and 2B configurations of the arrangement of Figure 2 for obtaining a gain factor of 3/2.

Fig. 2C und 2D Konfigurationen der Anordnung der Fig. 2 zum Erhalten des Verstärkungsfaktors von 2/3; FIG. 2C and 2D configurations of the arrangement of Figure 2 to obtain the gain factor of 2/3.

Fig. 3 ein Diagramm einer geschalteten Anordnung aus N Kondensatoren mit einem ge meinschaftlichen Ruhezustand gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfin dung; Fig. 3 is a diagram of a switched arrangement of N capacitors with a common idle state according to another embodiment of the inven tion;

Fig. 4A bis 4D Kondensatorkonfigurationen zum Schalten von einem Verstärkungsfaktor 4/3 auf einen Verstärkungsfaktor 3/4; FIGS. 4A to 4D capacitor configurations for switching an amplification factor 4/3 on a gain factor of 3/4;

Fig. 5 ein Diagramm der Anordnung der Fig. 3 für N = 3; Fig. 5 is a diagram of the arrangement of Fig. 3 for N = 3;

Fig. 5A bis 5D Kondensatorkonfigurationen zum Schalten von einem Verstärkungsfaktor 4/3 auf einen Verstärkungsfaktor 3/4 mit der Anordnung der Fig. 5; FIGS. 5A to 5D capacitor configurations for switching an amplification factor 4/3 on a gain factor of 3/4 with the arrangement of FIG. 5;

Fig. 6A bis 6E Kondensatorkonfigurationen für die Einstellung von Verstärkungsfaktoren 2/3, 3/2, 1/2, 2 bzw. 1; und FIGS. 6A to 6E capacitor configurations for the setting of gain factors 2/3, 3/2, 1/2, 2 and 1; and

Fig. 7 ein Diagramm einer geschalteten Anordnung aus N Kondensatoren gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Fig. 7 is a diagram of a switched array of N capacitors according to another embodiment of the invention.

Man beachte, daß in den verschiedenen Figuren dieselben Bezugszeichen verwendet werden, um gleiche oder ähnliche Elemente zu bezeichnen.Note that the same reference numbers are used in the different figures, to designate the same or similar elements.

Die Erfindung sieht eine Struktur und ein Verfahren vor, die sowohl eine Abwärts- als auch eine Abwärts-Spannungswandlung mit einer einzigen geschalteten Kondensatoranordnung ermöglichen. Kondensatoren und Schalter werden so konfiguriert, daß die gewünschten Kon densatoren in Reihe oder parallel zu einer Eingangsspannungsquelle oder dem Ausgang ge schaltet werden können. Bei anderen Ausführungsformen umfaßt die geschaltete Kondensato ranordnung einen gemeinschaftlichen Ruhezustand, d. h. die Kondensatoren teilen einen ge meinsamen Konfigurationszustand für sowohl die Abwärts- als auch die Aufwärts-Wandlung. Als ein Resultat liefert die Umkonfiguration der Kondensatoren für verschiedene Verstär kungsfaktoren immer die richtige Größe der Ladungsübertragung bei dem gewünschten Ver stärkungsfaktor. Ferner erlaubt es der modulare Aspekt der Anordnung, zusätzliche Konden satoren und Schalter auf einfache Weise hinzuzufügen, um den Bereich der möglichen Ver stärkungen zu vergrößern. The invention provides a structure and method that is both downward and forward a step-down voltage conversion with a single switched capacitor arrangement enable. Capacitors and switches are configured so that the desired con capacitors in series or in parallel with an input voltage source or the output can be switched. In other embodiments, the switched condenser includes a hibernation order, d. H. the capacitors share a ge common configuration state for both the downward and the upward conversion. As a result, the reconfiguration of the capacitors for different amplifiers Factors always the right size of the charge transfer at the desired Ver strengthening factor. Furthermore, the modular aspect of the arrangement allows additional condensers sators and switches easily add to the range of possible ver to strengthen reinforcements.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform einer geschalteten Kondensatoranordnung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Anordnung 10 besteht aus N Verstärkungsblöcken 15, wobei jeder Verstärkungsblock 15 einen Kondensator und fünf Schalter umfaßt. Die Anordnung 10 umfaßt somit insgesamt N Kondensatoren C₁, C₂, . . ., C_N und N Gruppen aus fünf Schaltern SW₁, SW₂, . . ., SW₅. Die folgenden Ausführungsformen werden mit N Kondensatoren be schrieben, die jeweils die gleiche oder ungefähr die gleiche (d. h. innerhalb einer Größenord nung) Kapazität haben. Die Kapazitäten müssen jedoch nicht gleich sein. Jeder Verstär kungsblock 15 umfaßt einen Kondensator C mit einer Platte, die über einen ersten Schalter SW₁ mit einer Eingangsspannung V_i und über einen zweiten Schalter SW₂ mit einer Aus gangsspannung V_o verbunden ist, und mit einer weiteren Platte, die über einen dritten Schalter SW₃ mit V_i und über einen vierten Schalter SW₄ mit V_o und über einen fünften Schalter SW₅ mit dem nächsten Verstärkungsblock verbunden ist. Der fünfte Schalter des letzten Verstär kungsblocks ist mit Masse verbunden. Fig. 1 shows an embodiment of a switched capacitor array 10 according to the present invention. The arrangement 10 consists of N amplification blocks 15 , each amplification block 15 comprising a capacitor and five switches. The arrangement 10 thus comprises a total of N capacitors C ₁ , C ₂ . . ., C _N and N groups of five switches SW ₁ , SW ₂ ,. . ., SW ₅ . The following embodiments are described with N capacitors, each having the same or approximately the same (ie within an order of magnitude) capacitance. However, the capacities do not have to be the same. Each amplifier block 15 comprises a capacitor C having a plate which is connected via a first switch SW ₁ to an input voltage V _i and a second switch SW ₂ to an output voltage V _o , and to a further plate which has a third Switch SW _{3 is} connected to V _i and via a fourth switch SW ₄ to V _o and via a fifth switch SW ₅ to the next amplification block. The fifth switch of the last amplifier block is connected to ground.

Man sollte beachten, daß jeder Verstarkungsblock 15 identisch zu jedem anderen Verstär kungsblock ist, so daß die Anordnung 10 modular ist und einen gemeinsamen Eingang V_i und einen gemeinsamen Ausgang V_o aufweist. Durch diese Modularität kann eine geschaltete Kondensatoranordnung beliebiger Größe einfach durch Verbinden so vieler Verstärkungs blöcke wie erwünscht hergestellt werden. Die Konfiguration der Schalter und Kondensatoren der Anordnung 10 erlaubt sowohl eine Abwärts- als auch eine Aufwärts-Wandlung der Ein gangsspannung V_i, weil die Kondensatoren sowohl in Reihe als auch parallel verbunden wer den können. Durch selektives Öffnen und Schließen der Schalter zum Herstellen wechselnder serieller und paralleler Konfigurationen, kann die geschaltete Kondensatoranordnung 10 Ver stärkungsfaktoren innerhalb der Verstärkungsbereiche von N/(N+1), 1 und (N+1)/N vorse hen. Mit einer Kondensatoranordnung aus N = 3 Kondensatoren sind die möglichen Verstär kungsfaktoren beispielsweise in Tabelle 1 unten angegeben: It should be noted that each amplification block 15 is identical to each other amplification block, so that the arrangement 10 is modular and has a common input V _i and a common output V _o . Due to this modularity, a switched capacitor arrangement of any size can be produced simply by connecting as many amplification blocks as desired. The configuration of the switches and capacitors of the arrangement 10 permits both a downward and an upward conversion of the input voltage V _i , because the capacitors can be connected both in series and in parallel. By selectively opening and closing the switches to produce alternating serial and parallel configurations, the switched capacitor arrangement 10 can provide amplification factors within the gain ranges of N / (N + 1), 1 and (N + 1) / N. With a capacitor arrangement consisting of N = 3 capacitors, the possible amplification factors are given, for example, in Table 1 below:

Tabelle 1 Table 1

Fig. 2 zeigt eine Kondensatoranordnung 20 mit drei Kondensatoren, die der Anordnung 10 der Fig. 1 für N = 3 entspricht. Die Anordnung 20 umfaßt drei Kondensatoren C₁, C₂ und C₃ und fünfzehn Schalter SW₁ bis SW₁₅, die drei Verstärkungsblöcke bilden. Für Verstärkungs faktoren im Verstärkungsbereich von N/(N+1) (d. h. 1/2, 2/3 und 3/4) werden K Kondensato ren (K = 1 bis N) während einer ersten Phase von V_i nach V_o parallel geschaltet und dann während einer zweiten Phase von V_o zu Masse in Reihe geschaltet, oder alternativ werden K Kondensatoren während einer ersten Phase von V_i zu Masse in Reihe geschaltet und während einer zweiten Phase von V_i zu V_o parallel geschaltet. Für einen Verstärkungsfaktor 1 werden K Kondensatoren in einer ersten Phase von V_i zu V_o parallel geschaltet und in einer zweiten Phase von V_o zu V_i parallel geschaltet. Für Verstärkungsfaktoren im Verstärkungsbereich von (N+1)/N (d. h. 2, 3/2 und 4/3) werden K Kondensatoren während einer ersten Phase von V_i zu Masse in Reihe geschaltet und während einer zweiten Phase von V_o zu V_i parallel ge schaltet. FIG. 2 shows a capacitor arrangement 20 with three capacitors, which corresponds to the arrangement 10 of FIG. 1 for N = 3. The arrangement 20 comprises three capacitors C ₁ , C ₂ and C ₃ and fifteen switches SW ₁ to SW ₁₅ , which form three amplification blocks. For gain factors in the gain range of N / (N + 1) (ie 1/2, 2/3 and 3/4), K capacitors (K = 1 to N) are connected in parallel from V _i to V _o during a first phase and then connected in series from V _o to ground during a second phase, or alternatively, K capacitors are connected in series from V _i to ground during a first phase and connected in parallel from V _i to V _o during a second phase. For a gain factor 1 , K capacitors are connected in parallel from V _i to V _o in a first phase and connected in parallel from V _o to V _i in a second phase. For gain factors in the gain range of (N + 1) / N (ie 2, 3/2 and 4/3), K capacitors are connected in series from V _i to ground during a first phase and from V _o to V _i during a second phase connected in parallel.

Um einen Verstärkungsfaktor 3/2 (in dem Verstärkungsbereich (N+1)/N) zu erhalten, wer den z. B. zunächst die Schalter SW₆, SW₁₀ und SW₁₅ geschlossen, was zu der Reihenschaltung in Fig. 2A führt. Während der ersten Phase werden die Kondensatoren C₂ und C₃ von der Eingangsspannung V_i geladen, so daß die Spannungen, V_c2 und V_c3, über jedem Kondensator C₂ bzw. C₃ gleich 1/2 * V_i sind, d. h.
In order to obtain a gain factor 3/2 (in the gain range (N + 1) / N), who the z. B. first the switches SW ₆ , SW ₁₀ and SW ₁₅ closed, which leads to the series connection in FIG. 2A. During the first phase, the capacitors C ₂ and C _{3 are} charged by the input voltage V _i , so that the voltages, V _c2 and V _c3 , across each capacitor C ₂ and C _{3 are} equal to 1/2 * V _i , ie

V_c2=V_c3 = 1/2 * V_i V _c2 = V _c3 = 1/2 * V _i

Während der nächsten Phase werden die Schalter SW₇, SW₈, SW₁₂ und SW₁₃ geschlossen, wodurch die Kondensatoren C₂ und C₃ parallel geschaltet werden und den Schaltkreis in Fig. 2B bilden. Der entsprechende Spannungsausdruck ist gegeben durch
During the next phase, the switches SW ₇ , SW ₈ , SW ₁₂ and SW _{13 are} closed, whereby the capacitors C ₂ and C _{3 are} connected in parallel and form the circuit in FIG. 2B. The corresponding voltage expression is given by

V_o - V_i = V_c2 = V_c3 (2)V _o - V _i = V _c2 = V _c3 (2)

Die Kombination der Gleichungen (1) und (2) führt zu
The combination of equations (1) and (2) leads to

V_o = V_i + 1/2 * V_i = 3/2 * V_i V _o = V _i + 1/2 * V _i = 3/2 * V _i

Dadurch wird der Verstärkungsfaktor von 3/2 erreicht.This achieves the gain factor of 3/2.

Um den inversen Verstärkungsfaktor zu erhalten, d. h. 2/3 (im Verstärkungsbereich N/(N+1)), werden dieselben Kondensatoren C₂ und C₃ zunächst parallel geladen, indem die Schalter SW₆, SW₉, SW₁₁ und SW₁₄ geschlossen werden, um den in Fig. 2 gezeigten Schalt kreis zu bilden. Die Spannung über den Kondensatoren C₂ und C₃ ist gegeben durch
In order to obtain the inverse gain factor, ie 2/3 (in the gain range N / (N + 1)), the same capacitors C ₂ and C _{3 are} first charged in parallel by closing the switches SW ₆ , SW ₉ , SW ₁₁ and SW ₁₄ are to form the circuit shown in Fig. 2. The voltage across the capacitors C ₂ and C ₃ is given by

V_c2 = V_c3 = V_i - V_o (3)V _c2 = V _c3 = V _i - V _o (3)

Dann werden die Kondensatoren C₂ und C₃ entladen, indem die Schalter SW₇, SW₁₀ und SW₁₅ geschlossen werden, um die in Fig. 2D gezeigte Reihenschaltung zu bilden. Die Span nung über den Kondensatoren C₂ und C₃ ist somit
Then capacitors C ₂ and C _{3 are} discharged by closing switches SW ₇ , SW ₁₀ and SW ₁₅ to form the series circuit shown in FIG. 2D. The voltage across the capacitors C ₂ and C ₃ is thus

V_c2 = V_c3 = 1/2 * V_o (4)V _c2 = V _c3 = 1/2 * V _o (4)

Die Kombination der Gleichungen (3) und (4) ergibt
The combination of equations (3) and (4) yields

V_i - V_o = 1/2 * V_o → V_o = 2/3 * V_i V _i - V _o = 1/2 * V _o → V _o = 2/3 * V _i

Dadurch erhält man einen Verstärkungsfaktor von 2/3. Durch Öfen und Schließen ausge wählter Schalter ist es mit der Anordnung aus den drei Kondensatoren der Fig. 2 auch mög lich, andere Verstärkungsfaktoren von 1/2, 3/4, 1, 4/3 und 2 zu erhalten. Die Anordnung 20 aus den drei Kondensatoren der Fig. 2 und im allgemeinen die Anordnung 10 aus N Konden satoren der Fig. 1 können somit für die Abwärts- und die Aufwärts-Wandlung konfiguriert werden.This gives you a gain factor of 2/3. By opening and closing selected switches, it is also possible with the arrangement of the three capacitors of FIG. 2 to obtain other gain factors of 1/2, 3/4, 1, 4/3 and 2. The arrangement 20 of the three capacitors of FIG. 2 and generally the arrangement 10 of N capacitors of FIG. 1 can thus be configured for the downward and upward conversion.

Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei der die geschaltete Kondensator anordnung 30, die im folgenden beschrieben ist, so konfiguriert werden kann, daß sie einen gemeinsam genutzten oder gemeinschaftlichen Ruhezustand aufweist, wodurch ihr Wir kungsgrad verbessert und Welligkeit reduziert wird. Bei geschalteten Kondensatoranordnun gen werden die Kondensatoren während einer ersten Phase gemeinsam auf eine gewünschte Verstärkungseinstellung konfiguriert und während einer zweiten Phase in einen Entladezu stand zurückgeführt. Die Entladezustände unterscheiden sich für die Abwärts- und die Auf wärts-Wandlungen. Demzufolge kann die Ladung bei einem unerwünschten Verstärkungs faktor übertragen werden, wenn der Übergang zwischen Abwärts- und Aufwärts- oder Auf wärts- und Abwärts-Wandlung, d. h. zwischen Verstärkungsfaktoren in verschiedenen Ver stärkungsbereichen, erfolgt. Ein gemeinsam genutzter Ruhezustand erlaubt eine gemeinsame Konfiguration der Kondensatoren derart, daß die Ladung immer bei dem gewünschten Ver stärkungsfaktoren übertragen wird. Fig. 3 shows another embodiment of the invention, in which the switched capacitor arrangement 30 , which is described below, can be configured to have a shared or shared idle state, thereby improving its efficiency and reducing ripple. With switched capacitor arrangements, the capacitors are configured together to a desired gain setting during a first phase and returned to a discharge state during a second phase. The discharge states differ for the downward and upward changes. As a result, the charge can be transferred in the case of an undesired gain factor if the transition between downward and upward or upward and downward conversion, ie between gains in different gain ranges, takes place. A shared idle state allows a common configuration of the capacitors such that the charge is always transmitted with the desired gain factors.

Ein Nachteil des Fehlens eines gemeinsam genutzten Ruhezustands kann anhand des Bei spiels der geschalteten Anordnung 20 mit den drei Kondensatoren in Fig. 2 dargestellt wird den. Die Fig. 4A bis 4D zeigen Kondensatorkonfigurationen zum Verändern des Verstär kungsfaktors von 4/3 (Verstärkungsbereich (N+1)/N) auf 3/4 (Verstärkungsbereich N/(N+1)). Die Fig. 4A und 4B zeigen die Kondensatorkonfigurationen zum Erhalten eines Verstärkungsfaktors von 4/3. Während einer ersten Phase, die in Fig. 4A gezeigt ist, ist die Spannung über jedem der drei Kondensatoren gegeben durch
A disadvantage of the lack of a shared idle state can be illustrated using the example of the switched arrangement 20 with the three capacitors in FIG . FIGS. 4A to 4D show capacitor configurations for varying the Verstär kung factor of 4/3 (gain region (N + 1) / N) 3/4 (gain region N / (N + 1)). FIGS. 4A and 4B show the capacitor configurations for obtaining a gain factor of 4/3. During a first phase, shown in FIG. 4A, the voltage across each of the three capacitors is given by

V_c1 = V_c2 = V_c3 = 1/3 * V_i (5)V _c1 = V _c2 = V _c3 = 1/3 * V _i (5)

Während der nächsten Phase, ein Entladezustand, der in Fig. 4B gezeigt ist, ergibt sich der Spannungsausdruck zu
During the next phase, a discharge condition shown in FIG. 4B, the voltage expression results

V_o - V_i = V_c1 = V_c2 = V_c3 (6)V _o - V _i = V _c1 = V _c2 = V _c3 (6)

Die Kombination der Gleichungen (5) und (6) führt zu
The combination of equations (5) and (6) leads to

V_o = V_i + 1/3 * V_i = 4/3 * V_i
V _o = V _i + 1/3 * V _i = 4/3 * V _i

für einen Verstärkungsfaktor von 4/3.for a gain factor of 4/3.

Zum Umschalten von dem Verstärkungsfaktor 4/3 in Fig. 4B auf einen Verstärkungsfaktor 3/4, können die Kondensatoren gemäß den Fig. 4C oder 4D konfiguriert werden. In beiden Konfigurationen beträgt die Ladung jedes Kondensators C₁, C₂ und C₃ (vor der Änderung der Verstärkungsfaktoren) ungefähr 1/3 * V₁, wie durch die Gleichung (5) angegeben. Wenn die Anordnung gemäß Fig. 4C konfiguriert wird, wird die Spannung über jedem Kondensator zu
To switch from the gain factor 4/3 in FIG. 4B to a gain factor 3/4, the capacitors can be configured according to FIGS. 4C or 4D. In both configurations, the charge of each capacitor C ₁ , C _2, and C ₃ (before the gain changes) is approximately 1/3 * V ₁ , as indicated by equation (5). When the arrangement according to FIG. 4C is configured, the voltage across each capacitor becomes

V_c1 = V_c2 = V_c3 = 1/3 * V_o (7)V _c1 = V _c2 = V _c3 = 1/3 * V _o (7)

Die Kombination der Gleichungen (7) und (5) zeigt, daß V_o ungefähr gleich V_i ist, um einen Verstärkungsfaktor von ungefähr eins vorzusehen, der höher ist als der gewünschte Verstär kungsfaktor von 3/4. Als ein Resultat wird das Ausgangssignal höher als erwünscht, und der Wirkungsgrad nimmt ab.The combination of equations (7) and (5) shows that V _{o is} approximately equal to V _i to provide a gain factor of approximately one that is higher than the desired gain factor of 3/4. As a result, the output signal becomes higher than desired and the efficiency decreases.

Wenn die Anordnung gemäß Fig. 4D konfiguriert ist, ergibt sich der Spannungsausdruck zu
If the arrangement is configured according to FIG. 4D, the voltage expression results

V_i - V_o = V_c1 = V_c2 = V_c3 (8).V _i - V _o = V _c1 = V _c2 = V _c3 (8).

Dann ergibt sich aus der Kombination der Gleichungen (8) und (5)
Then the combination of equations (8) and (5) results in

V_i - V_o = 1/3 * V_i → V_o = 2/3 * V_i
V _i - V _o = 1/3 * V _i → V _o = 2/3 * V _i

für eine Verstärkung von 2/3, die in diesem Fall niedriger als die gewünschte Verstärkung von 3/4 ist. Das tatsächliche Ausgangssignal ist somit niedriger als das gewünschte Ausgangs signal, und der Wirkungsgrad ist wiederum geringer.for a gain of 2/3, which in this case is lower than the desired gain of 3/4 is. The actual output signal is therefore lower than the desired output signal, and the efficiency is again lower.

Um eine Ladungsübertragung bei den gewünschten Verstärkungsfaktoren sicherzustellen, wenn zwischen Verstärkungen in unterschiedlichen Verstärkungsbereichen umgeschaltet wird, und um dadurch einen gewünschten Verstärkungsfaktor sicherzustellen, sollte die Kon densatorspannung unverändert bleiben, wenn zwischen zwei Verstärkungsbereichen umge schaltet wird. Dies kann erreicht werden, wenn die Kondensatoranordnung zunächst für einen Verstärkungsfaktor konfiguriert ist, der beiden Verstärkungsbereichen gemeinsam ist, bevor die Anordnung auf den gewünschten Verstärkungsfaktor konfiguriert wird, d. h. die Konden satoren werden auf eine andere Zwischenspannung geladen, bevor die Ladungsübertragung bei dem gewünschten Verstärkungsfaktor erfolgt.To ensure charge transfer at the desired gain factors, when switched between reinforcements in different gain ranges , and in order to ensure a desired gain factor, the Kon capacitor voltage remain unchanged when vice versa between two gain ranges is switched. This can be achieved if the capacitor arrangement is initially for one Gain is configured that is common to both gain ranges before the arrangement is configured to the desired gain factor, d. H. the condens sensors are charged to a different intermediate voltage before the charge transfer at the desired gain factor.

Bei der Anordnung 20 der Fig. 2 z. B. ist der Verstärkungsfaktor 1 beiden Verstärkungsberei chen N/(N+1) und (N+1)/N gemeinsam. Für Verstärkungsfaktoren von N/(N+1) und 1 liegt die gemeinsame Phase vor, wenn K Kondensatoren von V_i nach V_o parallel geschaltet sind, und für Verstärkungsfaktoren von (N+1)/N und 1 liegt die gemeinsame Phase vor, wenn K Kondensatoren von V_o zu V_i parallel geschaltet sind. Durch Laden der Kondensato ren zunächst für einen Verstärkungsfaktor 1, bevor auf den gewünschten Verstärkungsfaktor in einem anderen Verstärkungsbereich umgeschaltet wird, d. h. zwischen N/(N+1) und (N+1)/N, wird daher die Ladung bei dem gewünschten Verstärkungsfaktor übertragen. Durch Laden der Kondensatoren auf eine andere Spannung sinkt jedoch der Wirkungsgrad, weil mehr Umkonfigurationen notwendig sind, um eine gewünschte Verstärkung zu erhalten.In the arrangement 20 of FIG. 2 z. B. is the gain factor 1 two gain areas N / (N + 1) and (N + 1) / N in common. For amplification factors of N / (N + 1) and 1 the common phase is present if K capacitors from V _i to V _o are connected in parallel, and for amplification factors of (N + 1) / N and 1 the common phase is present, when K capacitors from V _o to V _i are connected in parallel. By charging the capacitors first for a gain factor 1, before switching to the desired gain factor in a different gain range, ie between N / (N + 1) and (N + 1) / N, the charge is therefore transferred at the desired gain factor . However, charging the capacitors to a different voltage reduces the efficiency because more reconfigurations are necessary in order to obtain the desired amplification.

Die geschaltete Kondensatoranordnung 30 der Fig. 3 besteht aus N Verstärkungsblöcken 35, wobei jeder Verstärkungsblock 35 einen Kondensator und sieben Schalter aufweist. Diese Anordnung 30 verwendet somit insgesamt N Kondensatoren C₁, C₂, . . ., C_N und N Gruppen aus 7 Schaltern SW₁, SW₂, . . ., SW₇, wobei jeder der N Kondensatoren die gleiche Kapazität hat, obwohl dies wiederum nicht notwendig ist. Jeder Verstärkungsblock 35 umfaßt einen Kondensator C mit einer Platte, die über einen ersten Schalter SW₁ mit einer Eingangsspan nung V_i verbunden ist, über einen zweiten Schalter SW₂ mit einem vorhergehenden Verstär kungsblock, über einen dritten Schalter SW₃ mit Masse und über einen vierten Schalter SW₄ mit einem Ausgang V_o verbunden ist, und dessen andere Platte über einen fünften Schalter SW₅ mit V_i verbunden ist, über einen sechsten Schalter SW₆ mit Masse und über einen sieb ten Schalter SW₇ mit V_o verbunden ist. The switched capacitor arrangement 30 of FIG. 3 consists of N gain blocks 35 , each gain block 35 having a capacitor and seven switches. This arrangement 30 thus uses a total of N capacitors C ₁ , C _2,. . ., C _N and N groups of 7 switches SW ₁ , SW ₂ ,. . ., SW ₇ , each of the N capacitors having the same capacitance, although this is again not necessary. Each amplification block 35 comprises a capacitor C with a plate which is connected via a first switch SW ₁ to an input voltage V _i , via a second switch SW ₂ to a previous amplification block, via a third switch SW ₃ to ground and via one fourth switch SW _{4 is} connected to an output V _o , and the other plate of which is connected to V _i via a fifth switch SW ₅ , is connected to ground via a sixth switch SW ₆ and is connected to V _o via a seventh switch SW ₇ .

Man sollte beachten, daß wie bei dem Verstärkungsblock 15 der Anordnung 10 jeder Verstär kungsblock 35 zu jedem anderen Verstärkungsblock identisch ist, so daß die Anordnung 30 modular mit einem gemeinsamen Eingang V_i und einem gemeinsamen Ausgang V_o aufgebaut ist. Ähnlich kann eine geschaltete Kondensatoranordnung beliebiger Größe leicht hergestellt werden, indem so viele Verstärkungsblöcke wie erwünscht angeschlossen werden. Die Konfi guration der Schalter und Kondensatoren der Anordnung 30 erlaubt es zusätzlich zu der Ab wärts- und Aufwärtswandlung einen gemeinsamen Ruhezustand zwischen den Verstärkungs bereichen einzurichten. Die geschaltete Kondensatoranordnung 30 kann Verstärkungsfaktoren in den Verstärkungsbereichen von 1/(N+1), 1/N, N/(N+1), 1, (N+1)/N, N und (N+1) vor sehen. Bei einer Anordnung mit N = 3 Kondensatoren sind die möglichen Verstärkungsfakto ren z. B. in der Tabelle 2 unten angegeben.It should be noted that, as with the amplification block 15 of the arrangement 10, each amplification block 35 is identical to every other amplification block, so that the arrangement 30 is of modular construction with a common input V _i and a common output V _o . Similarly, a switched capacitor array of any size can be easily made by connecting as many gain blocks as desired. The confi guration of the switches and capacitors of the arrangement 30 allows in addition to the downward and upward conversion to establish a common idle state between the gain areas. The switched capacitor arrangement 30 can provide gain factors in the gain ranges of 1 / (N + 1), 1 / N, N / (N + 1), 1, (N + 1) / N, N and (N + 1). In an arrangement with N = 3 capacitors, the possible amplification factors are, for. B. given in Table 2 below.

Tabelle 2 Table 2

Eine Anordnung 50 mit drei Kondensatoren ist in Fig. 5 gezeigt. Die Anordnung 50 umfaßt drei Kondensatoren C₁, C₂ und C₃ und 21 Schalter SW₁ bis SW₂₁, die drei Verstärkungsblöc ke gemäß der Anordnung 30 der Fig. 3 bilden. Zusätzlich zu den Verstärkungsbereichen und Konfigurationen der Anordnungen 10 und 20 können die Anordnungen 30 und 50 auch für Verstärkungsfaktoren in Verstärkungsbereichen von 1/(N+1), 1/N, N und (N+1) konfiguriert werden.An arrangement 50 with three capacitors is shown in FIG. 5. The arrangement 50 comprises three capacitors C ₁ , C ₂ and C ₃ and 21 switches SW ₁ to SW ₂₁ , which form three gain blocks according to the arrangement 30 of FIG. 3. In addition to the gain ranges and configurations of the arrays 10 and 20 , the arrays 30 and 50 can also be configured for gain factors in gain ranges of 1 / (N + 1), 1 / N, N and (N + 1).

Für Verstärkungsfaktoren in dem Verstärkungsbereich 1/(N+1) (d. h. 1/2, 1/3 und 1/4) wer den während einer ersten Phase K Kondensatoren (K = 1 bis 3) von V_o gegen Masse parallel geschaltet, und während einer zweiten Phase werden sie von V_i nach V_o in Reihe geschaltet. Für Verstärkungsfaktoren im Verstärkungsbereich 1/N (d. h. 1, 1/2 und 1/3) werden während einer ersten Phase K Kondensatoren von V_i nach Masse parallel geschaltet, und während einer zweiten Phase werden sie von V_o nach Masse in Reihe geschaltet. Man sollte beachten, daß die Konfiguration für die Verstärkungsfaktoren in dem Bereich 1/N auch dazu verwendet werden kann, die Verstärkungsfaktoren in dem Bereich 1/(N+1) anzunähern, insbesondere wenn K größer wird. Für Verstärkungsfaktoren in dem Verstärkungsbereich N (d. h. 1, 2 und 3) werden während einer ersten Phase K Kondensatoren von V_i gegen Masse parallel ge schaltet, und während einer zweiten Phase werden sie von V_o gegen Masse in Reihe geschal tet. Schließlich werden für Verstärkungsfaktoren im Verstärkungsbereich (N + 1) (d. h. 2, 3 und) während einer ersten Phase K Kondensatoren von V_i nach Masse parallel geschaltet, und während einer zweiten Phase werden sie von V_o nach V_i in Reihe geschaltet.For gain factors in the gain range 1 / (N + 1) (ie 1/2, 1/3 and 1/4) who the K capacitors (K = 1 to 3) from V _o to ground connected in parallel during a first phase, and during a second phase they are connected in series from V _i to V _o . For gain factors in the gain range 1 / N (ie 1, 1/2 and 1/3), K capacitors are connected in parallel from V _i to ground during a first phase, and in series from V _o to ground during a second phase. It should be noted that the configuration for the gains in the 1 / N range can also be used to approximate the gains in the 1 / (N + 1) range, especially as K increases. For gain factors in the gain range N (ie 1, 2 and 3), K capacitors from V _i to ground are connected in parallel during a first phase and during a second phase they are connected in series from V _o to ground. Finally, for gain factors in the gain range (N + 1) (ie 2, 3 and), K capacitors are connected in parallel from V _i to ground during a first phase, and in series from V _o to V _i during a second phase.

Zusätzlich zu mehr Verstärkungsbereichen kann die geschaltete Kondensatoranordnung 30 der Fig. 3 auch so konfiguriert werden, daß sie einen gemeinschaftlichen Ruhezustand zwi schen den Verstärkungsbereichen N/(N+1), 1 und (N+1)/N aufweist. Der gemeinschaftliche oder gemeinsam genutzte Ruhezustand für diese Verstärkungsbereiche wird erhalten, indem alle N Kondensatoren von V_o nach V_i parallel geschaltet werden. Die Anordnung 30 ermög licht somit, einen gewünschten Verstärkungsfaktor zwischen den Bereichen N/(N+1), 1 und (N+1)/N zu verändern, ohne Ladung bei Verstärkungsfaktoren zu übertragen, die höher oder niedriger als gewünscht sind, und ohne zusätzliche Umkonfigurationen der Kondensatoren notwendig zu machen.In addition to more gain ranges, the switched capacitor arrangement 30 of FIG. 3 can also be configured to have a common idle state between the gain ranges N / (N + 1), 1 and (N + 1) / N. The shared or shared idle state for these gain regions is obtained by connecting all N capacitors from V _o to V _{i in} parallel. The arrangement 30 thus enables a desired gain factor to be changed between the ranges N / (N + 1), 1 and (N + 1) / N, without transferring charge at gain factors which are higher or lower than desired, and without make additional reconfigurations of the capacitors necessary.

Die Fig. 5A bis 5D zeigen Kondensatorkonfigurationen zum Verändern des Verstärkungs faktors von 4/3 auf 3/4 mit Hilfe eines gemeinschaftlichen Ruhezustands in der Anordnung 50 der Fig. 5. Die erste und die zweite Phase für den Verstärkungsfaktor 4/3, die in den Fig. 5A bzw. 5B gezeigt sind, stimmen mit denen der Fig. 4A und 4B überein. Der Ladezustand der Fig. 5A wird erhalten, indem die Schalter SW₁, SW₉, SW₁₆ und SW₂₀ geschlossen werden, während der Entladezustand der Fig. 5B, wenn die Ladung übertragen ist, erhalten wird, in dem die Schalter SW₄, SW₅, SW₁₁, SW₁₂, SW₁₈ und SW₁₉ geschlossen werden. FIGS. 5A to 5D show capacitor configurations for changing the amplification factor of 4/3 to 3/4 by means of a common idle state in the arrangement 50 of Fig. 5. The first and the second phase for the gain of the 4/3, which in FIGS. 5A and 5B are shown, voices of FIGS. 4A and 4B correspond to those. The charging state of Fig. 5A is obtained by the switches SW _1, SW _9, SW ₁₆ and SW, when the charge is transferred, is obtained during the discharge state of Fig. 5B in which the switch SW _4, ₂₀ are closed, SW ₅ , SW ₁₁ , SW ₁₂ , SW ₁₈ and SW _{19 can be} closed.

Der Ladezustand für den Übergang auf eine Verstärkung von 3/4 ist jedoch aufgrund eines gemeinschaftlichen Ruhezustands anders als der in Fig. 4D gezeigte Zustand. Der Ladezu stand für die Verstärkung 3/4 gemäß Fig. 5C wird also erhalten, indem die Schalter SW₃, SW₉, SW₁₆ und SW₂₁ geschlossen werden. Der resultierende Spannungsausdruck ist gegeben durch
However, the state of charge for the 3/4 gain transition is different from the state shown in FIG. 4D due to a common idle state. The loading condition for the gain 3/4 according to FIG. 5C is thus obtained by closing the switches SW ₃ , SW ₉ , SW ₁₆ and SW ₂₁ . The resulting voltage expression is given by

V_c1 = V_c2 = V_c3 = -1/3 * V_o (9)V _c1 = V _c2 = V _c3 = -1/3 * V _o (9)

Die geschaltete Kondensatoranordnung kehrt dann in den gemeinschaftlichen Ruhezustand zurück, der in Fig. 5D gezeigt ist, indem die Schalter SW₄, SW₅, SW₁₁, SW₁₂, SW₁₈ und SW₁₉ erneut geschlossen werden. Da dieser Zustand gleich ist wie die Konfiguration der Fig. 5B und somit der Fig. 4B, ist auch der Spannungsausdruck der gleiche, wie im folgenden wieder gegeben ist:
The switched capacitor arrangement then returns to the common idle state shown in FIG. 5D by closing the switches SW ₄ , SW ₅ , SW ₁₁ , SW ₁₂ , SW ₁₈ and SW ₁₉ again. Since this state is the same as the configuration of FIG. 5B and thus of FIG. 4B, the voltage expression is also the same, as is given in the following:

V_o - V_i = V_c1 = V_c2 = V_c3 (6)V _o - V _i = V _c1 = V _c2 = V _c3 (6)

Das Kombinieren der Gleichungen (9) und (6) führt zu
Combining equations (9) and (6) results in

V_o - V_i = -1/3 * V_o → V_o = 3/4 * V_i
V _o - V _i = -1/3 * V _o → V _o = 3/4 * V _i

wodurch der gewünschte Verstärkungsfaktor von 3/4 erreicht wird.which achieves the desired gain factor of 3/4.

Da die in den Fig. 5B und 5D gezeigten Zustände unabhängig vom Verstärkungsfaktor gleich sind, wird immer die richtige Ladung bei der gewünschten Verstärkung übertragen. Bei die sem gemeinschaftlichen Ruhezustand sind alle Kondensatoren von V_i nach V_o parallel ge schaltet, und wenn ein anderer Verstärkungsfaktor gewünscht wird, werden die Kondensato ren in dem gemeinschaftlichen Ruhezustand auf die richtige Reihenschaltung für den Ladezu stand umkonfiguriert. Zusätzlich zu den oben erörterten Verstärkungsfaktoren von 3/4 und 4/3 können mit der Anordnung 50 der Fig. 5 auch Verstärkungsfaktoren von 2/3, 3/2, 1/2, 2 und 1 mit dem gemeinschaftlichen Ruhezustand erreicht werden, wobei die entsprechenden Kon densatorkonfigurationen jeweils in den Fig. 6A bis 6E gezeigt sind. Tabelle 3 gibt die jeweili gen Schalter an, die zum Erhalten der gewünschten Verstärkung geschlossen werden müssen.Since the states shown in FIGS. 5B and 5D are the same regardless of the amplification factor, the correct charge is always transferred at the desired amplification. In this common idle state, all capacitors from V _i to V _{o are connected in} parallel, and if a different gain factor is desired, the capacitors in the common idle state are reconfigured to the correct series connection for the charging state. In addition to the 3/4 and 4/3 gain factors discussed above, arrangement 50 of FIG. 5 can also achieve 2/3, 3/2, 1/2, 2 and 1 gain factors with the communal idle state corresponding condenser configurations are shown in FIGS . 6A to 6E, respectively. Table 3 lists the respective switches that must be closed to obtain the desired gain.

Tabelle 3 Table 3

In allgemeiner Form wird somit für die Anordnung 30 der Fig. 3 mit den N Kondensatoren ein gemeinschaftlicher Ruhezustand erhalten, wenn alle N Kondensatoren vom Ausgang zum Eingang parallel geschaltet sind, unabhängig von dem gewünschten Verstärkungsfaktor. Schaltsteuerkreise, die im Stand der Technik bekannt sind, senden die geeigneten Signale zum Öffnen und Schließen der Schalter. Wenn ein zweiphasiges, nicht überlappendes Taktsignal verwendet wird, um die Steuerkreise zu takten, wechselt die geschaltete Kondensatoranord nung zwischen diesem gemeinschaftlichen Ruhezustand und einem Ladezustand. Der Lade zustand wird erhalten, wenn die gewünschten Kondensatoren in Reihe geschaltet sind, um die gewünschte Verstärkungseinstellung zu erhalten. Die Ladungsübertragung zum Ausgang er folgt für Verstärkungseinstellungen von weniger oder gleich eins (≦ 1) während des Ladezu stands und des gemeinschaftlichen Ruhezustands, und für Verstärkungseinstellungen, die größer als eins (< 1) sind, erfolgt die Ladungsübertragung, wenn die Kondensatoren in den gemeinschaftlichen Ruhezustand zurückgebracht werden. Die geschaltete Kondensatoranord nung 30 der Fig. 3 mit dem gemeinschaftlichen Ruhezustand und den modularen Blöcken sieht somit einen einfachen Schaltkreis für sowohl die Abwärts- als auch die Aufwärtswand lung mit erhöhtem Wirkungsgrad vor, ohne daß Ladungsübertragungen bei unerwünschten Verstärkungsfaktoren auftreten.In general form for the arrangement 30 of FIG. 3 with the N capacitors, a common idle state is obtained when all N capacitors are connected in parallel from the output to the input, regardless of the desired amplification factor. Switching control circuits known in the art send the appropriate signals to open and close the switches. When a two-phase, non-overlapping clock signal is used to clock the control circuits, the switched capacitor arrangement changes between this common idle state and a charge state. The state of charge is obtained when the desired capacitors are connected in series to obtain the desired gain setting. Charge transfer to the output occurs for gain settings less than or equal to one (≦ 1) during charging and shared idle, and for gain settings greater than one (<1), charge transfer occurs when the capacitors in the shared To be brought back to sleep. The switched capacitor arrangement 30 of FIG. 3 with the common idle state and the modular blocks thus provides a simple circuit for both the downward and the upward wall development with increased efficiency without charge transfers occurring in the case of undesired amplification factors.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 7 gezeigt, wobei die Anzahl der Schalter in einer geschalteten Kondensatoranordnung mit einem gemeinschaftlichen Ruhezu stand minimiert ist. Eine geschaltete Anordnung 70 mit N Kondensatoren umfaßt einen ersten Verstärkungsblock 71, N-2 mittlere Verstärkungsblöcke 72 und einen Endverstärkungsblock 73. Der erste Verstärkungsblock 71 weist einen Kondensator und vier Schalter auf die mittle ren Verstärkungsblöcke 72 weisen jeweils einen Kondensator und fünf Schalter auf, und der Endverstärkungsblock 73 weist einen Kondensator und sechs Schalter auf. Wenn die Anzahl der Verstärkungsblöcke zunimmt, wird somit Anzahl der Schalter im Vergleich zu der ge schalteten Kondensatoranordnung 30 der Fig. 3, die sieben Schalter pro Verstärkungsblock umfaßt, weiter verringert. Mit weniger Schaltern kann die Kondensatoranordnung 70 jedoch nicht so viele Verstärkungsfaktoren wie die Anordnung 30 der Fig. 3 konfigurieren. Während die Anordnung 30 Verstärkungsfaktoren in den Bereichen 1/(N+1), 1/N, N/(N+1), 1, (N+1)/N, N und N+1 konfigurieren kann, kann die Anordnung 70 nur Verstärkungsfaktoren in den Bereichen N/(N+1), 1 und (N+1)/N konfigurieren.Another embodiment of the invention is shown in FIG. 7, wherein the number of switches in a switched capacitor arrangement with a common quiescent state is minimized. A switched arrangement 70 with N capacitors comprises a first gain block 71 , N-2 middle gain blocks 72 and a final gain block 73 . The first gain block 71 has a capacitor and four switches, the middle gain blocks 72 each have a capacitor and five switches, and the final gain block 73 has a capacitor and six switches. Thus, as the number of gain blocks increases, the number of switches is further reduced compared to the switched capacitor array 30 of FIG. 3, which includes seven switches per gain block. However, with fewer switches, capacitor array 70 cannot configure as many gain factors as array 30 of FIG. 3. While the arrangement 30 can configure gain factors in the ranges 1 / (N + 1), 1 / N, N / (N + 1), 1, (N + 1) / N, N and N + 1, the arrangement 70 can only configure gain factors in the ranges N / (N + 1), 1 and (N + 1) / N.

Bei der Anordnung 70 umfaßt der erste Verstärkungsblock 71 einen Kondensator C, der eine Platte aufweist, die über den Schalter SW₁ mit der Eingangsspannung V_i, über den Schalter SW₂ mit der Ausgangsspannung V_o und über den Schalter SW₃ mit Masse verbunden ist, und der eine weitere Platte aufweist, die über den Schalter SW₄ mit V_i verbunden ist. Die mittle ren Verstärkungsblöcke 72 umfassen jeweils einen Kondensator C, der eine Platte aufweist, die über den Schalter SW₅ mit dem vorhergehenden Block, über den Schalter SW₆ mit Masse und über den Schalter SW₇ mit V_o verbunden ist, und der eine weitere Platte aufweist, die über den Schalter SW₈ mit V und über den Schalter SW₉ mit Masse verbunden ist. Der End verstärkungsblock 73 umfaßt einen Kondensator C, der eine Platte aufweist, die über den Schalter SW₁₀ mit V_i, über den Schalter SW₁₁ mit dem Ausgang V₀ und über den Schalter SW₁₂ mit dem letzten der mittleren Verstärkungsblöcke verbunden ist, und der eine weitere Platte aufweist, die über den Schalter SW₁₃ mit V_i, über den Schalter SW₁₄ mit V_o und über den Schalter SW₁₅ mit Masse verbunden ist.In the arrangement 70 of the first gain block 71 comprises a capacitor C which has a plate which is connected via the switch SW ₁ to the input voltage V _i, via the switch SW ₂ with the output voltage V _o and the switches SW ₃ to ground , and which has a further plate which is connected to V _i via the switch SW ₄ . The central gain blocks 72 each include a capacitor C, which has a plate which is connected via switch SW ₅ to the previous block, via switch SW ₆ to ground and via switch SW ₇ to V _o , and the other Has plate which is connected via the switch SW ₈ to V and via the switch SW ₉ to ground. The final amplification block 73 comprises a capacitor C, which has a plate which is connected via switch SW ₁₀ to V _i , via switch SW ₁₁ to output V ₀ and via switch SW ₁₂ to the last of the central amplification blocks, and which has a further plate which is connected to V _i via switch SW ₁₃ , to V _o via switch SW ₁₄ and to ground via switch SW ₁₅ .

Wie bei der Kondensatoranordnung 30 der Fig. 3 ergibt sich ein gemeinschaftlicher Ruhezu stand für die Anordnung 70 durch Verbinden aller Kondensatoren parallel vom Ausgang zum Eingang. Für die Konfiguration des gemeinschaftlichen Ruhezustands werden daher die Schalter SW₂, SW₄, SW₇, SW₈, SW₁₁ und SW₁₃ geschlossen. Wenn andere Verstärkungsfak toren gewünscht werden, werden die Kondensatoren in dem gemeinschaftlichen Ruhezustand auf die entsprechende Reihenschaltung für den Ladezustand neu konfiguriert. Wenn die An ordnung 70 der Fig. 7 z. B. eine Anordnung mit drei Kondensatoren (N = 3) ist, sind Verstär kungsfaktoren von 1/2, 2/3, 3/4, 1, 4/3, 3/2 und 2 möglich, indem die geeigneten Schalter wie in Tabelle 4 gezeigt geschlossen werden.As with the capacitor arrangement 30 of FIG. 3, there is a common Ruhzu stood for the arrangement 70 by connecting all capacitors in parallel from the output to the input. The switches SW ₂ , SW ₄ , SW ₇ , SW ₈ , SW ₁₁ and SW ₁₃ are therefore closed for the configuration of the common idle state. If other gain factors are desired, the capacitors are reconfigured to the appropriate series connection for the state of charge in the common idle state. If the order 70 of FIG. 7 z. B. an arrangement with three capacitors (N = 3), amplification factors of 1/2, 2/3, 3/4, 1, 4/3, 3/2 and 2 are possible by using the appropriate switches as in the table 4 shown can be closed.

Tabelle 4 Table 4

Die geschaltete Kondensatoranordnung 70 kann anstelle der geschalteten Kondensatoranord nung 30 verwendet werden, um die Anzahl der Schalter zu reduzieren, wenn nur Verstär kungsfaktoren in den Bereichen von N/(N+1), 1 und (N+1)/N erwünscht sind. Switched capacitor array 70 may be used in place of switched capacitor array 30 to reduce the number of switches when only gain factors in the ranges of N / (N + 1), 1 and (N + 1) / N are desired.

Die oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung dienen lediglich als Beispiel nicht als Beschränkung. Der Fachmann wird somit verstehen, daß zahlreiche Veränderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne den Bereich dieser Erfindung zu verlas sen. Die folgenden Ansprüche umfassen also all solche Änderungen und Modifikationen, die in dem Bereich der Erfindung liegen.The above-described embodiments of the invention are not intended as an example only as a limitation. The skilled person will thus understand that numerous changes and Modifications can be made without departing from the scope of this invention sen. The following claims thus embrace all such changes and modifications that are within the scope of the invention.

Claims

1. Switched capacitor arrangement for providing a downward and upward conversion, with the following features:
N capacitors and multiple switches connected so that selected capacitors of the N capacitors can be configured to provide both a step-down and step-up conversion.

2. Arrangement according to claim 1, wherein the N capacitors and the plurality of switches N Form reinforcement blocks, with each of the N reinforcement blocks forming one of the N condensers sators.

3. Arrangement according to claim 2, wherein the N reinforcement blocks are identical.

4. Arrangement according to claim 2 or 3, wherein the N capacitors and the plurality Switches are connected so that gain factors are in the gain areas N / (N + 1), 1 and (N + 1) / N result.

5. Arrangement according to one of claims 2 to 4, wherein the N reinforcement blocks have the following components:
a first switch connecting a first plate of a capacitor to an input;
a second switch connecting the first plate to an output;
a third switch connecting a second plate of the capacitor to the input;
a fourth switch connecting the second plate to the output; and
a fifth switch that connects the second plate to a next gain block, the fifth switch of the last gain block connecting the second plate of the capacitor of the last gain block to reference voltage (ground).

6. Arrangement according to one of the preceding claims, in which the N capacitors and the several switches are connected so that a common idle state between the gain ranges is configurable.

7. The arrangement of claim 6, wherein the N capacitors and the plurality of switches N Form reinforcement blocks, with each of the N reinforcement blocks forming one of the N condensers sators.

8. An arrangement according to claim 7, wherein the N reinforcement blocks are identical.

9. The arrangement of claim 7 or 8, wherein the N capacitors and the plurality Switches are connected so that gain factors are in the gain areas 1 / (N + 1), 1 / N, N / (N + 1), 1, (N + 1) / N, N and (N + 1).

10. Arrangement according to one of claims 6 to 9, wherein the N capacitors of one Output to an input are connected in parallel to the communal rest stand to manufacture.

11. The arrangement of claim 10, wherein the collaborative hibernation for ampl factors in the gain ranges N / (N + 1), 1 and (N + 1) / N applies.

12. The arrangement of claim 8, wherein the N reinforcement blocks comprise the following components:
a first switch connecting a first plate of a capacitor to an input;
a second switch connecting the first plate to a previous gain block;
a third switch that connects the first plate to ground;
a fourth switch connecting the first plate to an output;
a fifth switch connecting a second plate of the capacitor to the input;
a sixth switch that connects the second plate to ground; and
a seventh switch that connects the second plate to the output.

13. The arrangement of claim 11 or 12, wherein the N capacitors and the plurality Switches a first gain block, N-2 middle gain blocks and one form the final gain block, each block having one of the N capacitors.

14. The arrangement of claim 13, wherein all N-2 middle reinforcement blocks are the same.

15. The arrangement of claim 13 or 14, wherein the first reinforcement block has the following components:
a first switch that connects a first plate of a first capacitor to an input;
a second switch that connects the first plate of the first capacitor to an output;
a third switch that connects the first plate of the first capacitor to ground; and
a fourth switch that connects a second plate of the first capacitor to the input;
each of the central reinforcement blocks comprising:
a fifth switch connecting a first plate of a middle capacitor to a previous gain block;
a sixth switch that connects the first plate of the middle capacitor to ground;
a seventh switch that connects the first plate of the middle capacitor to the output;
an eighth switch that connects a second plate of the middle capacitor to the input; and
a ninth switch that connects the second plate of the middle capacitor to ground; and
the last reinforcement block has the following components:
a tenth switch connecting a first plate of a final capacitor to the input;
an eleventh switch that binds the first plate of the end capacitor to the output ver;
a twelfth switch that connects the first plate of the final capacitor to the last of the middle gain blocks;
a thirteenth switch that connects a second plate of the final capacitor to the input;
a fourteenth switch that connects the second plate of the final capacitor to the output; and
a fifteenth switch that binds the second plate of the end capacitor with ground ver.

16. Arrangement according to one of the preceding claims, in which each of the N capacitors has the same capacity.

17. Method for providing a step-down and step-up conversion with an arrangement of N capacitors and several switches, with the following process steps:
Configuring a first plurality of the N capacitors to charge the first plurality of the capacitors;
Configuring the first plurality of N capacitors to discharge the first plurality of capacitors to provide a first gain in a first gain range;
Configuring a second plurality of the N capacitors to charge the second plurality of capacitors; and
Configuring the second plurality of N capacitors to discharge the second plurality of capacitors to provide a second gain in a second gain range, the first and second gain ranges being different.

18. The method of claim 17, wherein the first gain to the upward wall tion and the second gain factor is used for downconversion.

19. The method according to claim 17 or 18, with the further step: configuration a third plurality of capacitors to add a third gain before the conf Provide guration of the second gain factor, the third gain factor is shared by the first and second gain areas.

20. Method for providing a step-down and step-up conversion with an arrangement of N capacitors and several switches, with the following process steps:
Configuring a first plurality of the N capacitors to provide a first gain factor in a first gain range;
Configuring the N capacitors to provide a common sleep state; and
Configuring a second plurality of the N capacitors to provide a second gain in a second gain range, the first and second gain ranges being different.

21. The method of claim 20, wherein the first gain of the upward wall tion and the second gain factor of the downconversion is used.

22. The method of claim 20 or 21, wherein the configuration of the N capacitors connecting the N condensate to form a communal idle state ren in parallel between an output and an input.